第18章电子技术基础精选文档.ppt

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1、第18章电子技术基础本讲稿第一页，共六十一页18.1 18.1 可编程逻辑器件概述可编程逻辑器件概述 可编程逻辑器件简称为可编程逻辑器件简称为PLDPLD，其逻辑功能是由用户通过对，其逻辑功能是由用户通过对器件编程来设定的。器件编程来设定的。目前生产和使用的PLD产品主要有现场可编程逻辑阵列FPLA、通用阵列逻辑GAL、可擦除的可编程逻辑器件EPLD、现场可编程门阵列FPGA等几种类型。用于PLD编程的开发系统由硬件和软件两部分组成。硬件部分包括计算机和专门的编程器，软件部分有各种编程软件。本讲稿第二页，共六十一页 18.1.1 18.1.1连接方式连接方式 PLD电路由与门和或门阵列两种基本

2、的门阵列组成。图18.1是一个基本的PLD结构图。本讲稿第三页，共六十一页(a)基本的PLD结构图 (b)PLD连接方式图18.1PLD表示法本讲稿第四页，共六十一页 从图中可以看出，门阵列交叉点上的连接方式共有三种情况：（1）固定连接：固定连接是不可以通过编程改变的连接点。（2）可编程“接通”单元：它依靠用户编程来实现“接通”连接。（3）可编程“断开”单元：编程实现断开状态。这种单元又称为被编程擦除单元。本讲稿第五页，共六十一页 18.1.218.1.2基本门电路的基本门电路的PLDPLD表示法表示法 PLD PLD的输入缓冲器真值表列于表18.1中。表18.1 PLD输入缓冲器真值表输 入

3、 输 出A A 0 1 0 1 1 0 本讲稿第六页，共六十一页 一个4输入端与与门的PLD表示法如图18.2(a)所 示。图中L1=ABCD，通常把A、B、C、D称为输入项，L1称为乘积项乘积项（或简称积项积项）；4输入端或或门如图18.2(b)所示，其中L2A十BCD。本讲稿第七页，共六十一页 图18.2 PLD表示法的图形符号本讲稿第八页，共六十一页 PLD表示的与门阵列如图18.3所示。图18.3 PLD表示的与门阵列本讲稿第九页，共六十一页L1 输入项 A、B、被编程接通 L2=1 与门的所有输入项均不接通，保 持“悬浮”的1状态L3=输入项 固定连接本讲稿第十页，共六十一页 图18

4、.3中与门G1对应的所有输入项被编程接通，输出项恒等于0，这种状态为与门编程的默认状态，如图18.4所示。图18.4与与门的默认状态本讲稿第十一页，共六十一页思考题思考题试用PLD表示法表示出逻辑关系L=试用PLD表示法表示出逻辑关系L=PLD用哪两个门阵列构成?返回本讲稿第十二页，共六十一页18.2 可編程只读存儲器（可編程只读存儲器（PROM）18.2.1 PROM 18.2.1 PROM的结构及原理的结构及原理 PROM的总体结构由存储矩阵、地址译码器和输出电路组成。不过在出厂时已经在存储矩阵的所有交叉点上全部制作了存储元件，即相当于在所有存储单元中存入了1。图18.5是熔丝型PROM存

5、储单元的原理图。本讲稿第十三页，共六十一页图18.5 熔丝型PROM的存储单元本讲稿第十四页，共六十一页 它由一只三极管和串在发射极的快速熔断丝组成。三极管的be结相当于接在字线与位线之间的二极管，熔丝用很细的低熔点合金丝或多晶硅导线制成。在写入数据时只要设法将需要存入0的那些存储单元上的熔丝烧断就行了。图18.6是一个168位PROM的结构原理图。本讲稿第十五页，共六十一页图18.6 PROM的结构原理图本讲稿第十六页，共六十一页 编程时首先对应输入地址代码，找出要写入“0”的单元地址。然后使VCC和选中的字线提高到编程所要求的高电平，同时在编程单元的位线上加入编程脉冲（幅度约20V，持续时

6、间约十几微秒）。这时写入放大器AW的输出为低电平，低内阻状态，有较大的脉冲电流流过熔丝，将其熔断。正常工作的读出放大器AR输出的高电平不足以使DZ导通，则AW不工作。可见，PROM的内容一经写入以后，就不可能修改了，所以它只能写入一次。本讲稿第十七页，共六十一页 18.2.2 18.2.2 可擦除的可编程只读存储器（可擦除的可编程只读存储器（EPROMEPROM）EPROMEPROM是用紫外线照射进行擦除的。是用紫外线照射进行擦除的。EPROM与前面已经讲过的PROM在总体结构形式上没有多大区别，只是采用了不同的存储单元。EPROM的存储单元使用了浮栅雪崩注入MOS管及叠栅注入MOS管。1.浮

7、栅注入MOS管(FAMOS)它的结构示意图和符号如图18.7所示。本讲稿第十八页，共六十一页 图18.7 FAMOS管的结构和符号 FAMOS管本身是一个P沟道增强型的MOS管，但栅极“浮置”于SiO2层内，与其他部分均不相连，处于完全绝缘的状态。本讲稿第十九页，共六十一页 如果在它的漏极和源极之间加上比正常工作电压高得多的负电压（通常为45V左右），则可使漏极与衬底之间的PN结产生雪崩击穿，耗尽区里的电子在强电场作用下以很高的速度从漏极的P区向外射出，其中速度最快的一部分电子穿过SiO2层而到达浮置栅，被浮置栅俘获而形成栅极存储电荷。这个过程就叫做雪崩注入雪崩注入。本讲稿第二十页，共六十一页

8、 漏极和源极间的高电压去掉以后，由于注入到栅极上的电荷没有放电通路，所以能长久保存下来。在1250C的环境温度下，70%以上的电荷能保存10年以上。在栅极获得足够的电荷以后，漏源间便形成导电沟道，使FAMOS管导通。本讲稿第二十一页，共六十一页 如果用紫外线或X射线照射FAMOS管的栅极氧化层，则SiO2层中将产生电子空穴对，为浮置栅上的电荷提供泄放通道，使之放电。待栅极上的电荷消失以后，导电沟道也随之消失，FAMOS管恢复为截止状态。这个过程称为擦除擦除。擦除时间约需2030分钟。用FAMOS管作存储单元时，还要用一只普通的P沟道MOS管V2 2与之串联，如图18.8所示。本讲稿第二十二页，

9、共六十一页图18.8 用FAMOS管的存储单元 本讲稿第二十三页，共六十一页 这只普通MOS管的栅极受字线控制。产品在出厂时所有的FAMOS管都处于截止状态。在进行写入操作时，首先输人选好的地址，使需要写入数据的那些单元所在字线为低电平。然后，在应该写入1的那些位线上加入负脉冲，使被选中的单元内FAMOS管发生雪崩击穿，存储单元记入1。本讲稿第二十四页，共六十一页 在读出数据时，只需输入指定的地址代码，相应的字线便给出低电平。这根字线所接的一行存储单元中栅极已注入电荷的 FAMOS管导通，使所接的位线变成高电平，读出1；栅极未注入电荷的FAMOS管截止，所连接的位线为低电平，读出0。本讲稿第二

10、十五页，共六十一页 2.叠栅注入MOS管（SIMOS管）图18.9是SIMOS管的结构原理图和符号。它是一个N沟道增强型的MOS管，有两个重叠的栅极有两个重叠的栅极控控制栅制栅G Gc c和浮置栅和浮置栅G Gf f控制栅控制栅G Gc c用于控制读出和写入，浮用于控制读出和写入，浮置栅置栅G Gf f用于长期保存注入电荷。用于长期保存注入电荷。本讲稿第二十六页，共六十一页图18.9 SIMOS管的结构和符号本讲稿第二十七页，共六十一页图18.10 使用SIMOS管的2561位EPROM本讲稿第二十八页，共六十一页 写入数据时漏极和控制栅极的控制电路没有画出。这是一个256l位的EPROM，2

11、56个存储单元排列成16l6矩阵。输入地址的高4位加到行地址译码器上，从16行存储单元中选出要读的一行。输入地址的低4位加到列地址译码器上，再从选中的一行存储单元中选出要读的一位。如果这时 =0，则这一位数据便出现在输出端上。采用SIMOS管的EPROM同样能用紫外线擦除，然后重新写入新的数据。本讲稿第二十九页，共六十一页 思考题思考题 PROM有什么缺点？EPROM如何克服PROM的缺点的？什么叫做FAMOS管的雪崩注入过程？返回本讲稿第三十页，共六十一页 18.3 可编程逻辑阵列可编程逻辑阵列PLA 可编程逻辑阵列主要由三部分组成，如图18.11(a)所示。图18.11(b)示出一个PLA

12、的基本内部组成，它有三个输入项，三个输出端，提供六个（而不是23个）积项。本讲稿第三十一页，共六十一页图18.11 PLA的基本结构本讲稿第三十二页，共六十一页 PLA可用来实现逻辑函数和码制转换，也可用来存储微程序指令。例如，给出三个逻辑函数如下：这三个逻辑函数共包含了7个积项（请注意不全是最小项），但独立的只有5个，因此用图18.11(b)的PLA可以实现，编程后的电路连接见图18.11(c)。本讲稿第三十三页，共六十一页 图18.11(c)PLA的内部组成（编程后）本讲稿第三十四页，共六十一页 编程的方式有两种。一种方式是由制造商根据用户提供的真值表完成，这种PLA称为掩模PLA。另一种

13、方式是由用户自己进行编程，这种PLA称为现场PLA。为了方便用户选用，同时也为了降低成本，FPLA被预制成系列化的定型产品，并且用输入项数（即输入变量数）、与与阵列输出端数（即可产生的积项数）、或或阵列输出端数（即输出变量数）三者的乘积表示其规格。图18.12示出了一个16488的FPLA,它有16个输入，48个积项，8个输出。本讲稿第三十五页，共六十一页图18.12 一个16488 PLA 本讲稿第三十六页，共六十一页思考题思考题 与PROM相比，PLA有什么特点？PLA有哪两种编程方式？返回本讲稿第三十七页，共六十一页 18.4 18.4 可编程阵列逻辑可编程阵列逻辑PALPAL PAL器

14、件由可编程的与逻辑阵列、固定的或逻辑阵列和输出电路三部分组成。通过对与逻辑阵列编程可以获得不同形式的组合逻辑函数。图18.13所示电路是PAL器件当中最简单一种电路结构形式，它仅包含一个可编程的与逻辑阵列和一个固定的或逻辑阵列。本讲稿第三十八页，共六十一页 图18.13 PAL器件的基本电路结构本讲稿第三十九页，共六十一页 图18.14是经过编程后的一个PAL器件的结构图。图18.14 编程后的PAL电路本讲稿第四十页，共六十一页 它所产生的逻辑函数为：本讲稿第四十一页，共六十一页 根据PAL器件输出电路结构和反馈方式的不同，可将它们大致分成以下几种类型：1.专用输出结构的PAL。2.可编程输

15、入/输出结构的PAL。3.寄存器输出结构的PAL。4.异或输出结构的PAL。5.运算选通反馈结构的PAL。本讲稿第四十二页，共六十一页思考题思考题PAL在结构上有哪三部分组成？根据PAL器件输出电路结构和反馈方式的不同，可分成哪几种类型？返回本讲稿第四十三页，共六十一页 18.5 18.5 通用阵列逻辑通用阵列逻辑 GAL器件具有可擦除、可重新编辑和可重新配置其结构等功能。18.5.1 GAL 18.5.1 GAL的基本结构的基本结构 GAL16V8的逻辑结构如图18.15所示。本讲稿第四十四页，共六十一页图18.15 GAL16V8的逻辑结构图本讲稿第四十五页，共六十一页 它由五部分组成：(

16、1)八个输入缓冲器（引脚29作固定输入）；(2)八个输出缓冲器（引脚1219作为输出缓冲器的输出）；(3)八个输出逻辑宏单元（OLMC12 19，或门阵列包含在其中）；(4)可编程与门阵列（由88个与门构成，形成64个乘积项，每个与门有32个输入端）；(5)八个输出反馈输入缓冲器（中间一列8个缓冲器）。本讲稿第四十六页，共六十一页 除以上5个组成部分外，该器件还有1个系统时钟CK的输入端（引脚1），一个输出三态控制端OE（引脚11），一个电源V端和一个接地端（引脚20和引脚10，图中未画出。通常VCC5V）。本讲稿第四十七页，共六十一页 18.5.2 18.5.2 输出逻辑宏单元（输出逻辑宏单

17、元（OLMCOLMC）GAL的每一个输出端都对应一个输出逻辑宏单元OLMC，它的逻辑结构示于图18.16。本讲稿第四十八页，共六十一页 图18.16输出逻辑宏单元OLMC(注:图中表示E2CMOS编程单元)本讲稿第四十九页，共六十一页 它主要由4部分组成：(1)或阵列：是一个八输入或阵列，构成了GAL或门阵列；(2)异或门：异或门用于控制输出信号的极性，八输入或门的输出与结构控制字中的控制位XOR（n）异或后，输出到D触发器的D端。(3)正边沿触发的D触发器：本讲稿第五十页，共六十一页 (4)4个数据多路开关（数据选择器MUX）：乘积项数据选择器PTMUX：用于控制来自与阵列的第一乘积项。三态

18、数据选择器TSMUX：用于选择输出三态缓冲器的选通信号。反馈数据选择器FMUX：用于决定反馈信号的来源。输出数据选择器OMUX：用于控制输出信号是否锁存。本讲稿第五十一页，共六十一页 18.5.3 18.5.3 结构控制字结构控制字 GAL16V8的各种配置是由结构控制字来控制的。结构控制字如图18.17所示。图中XOR（n）和AC1(n)字段下面的数字分别表示它们控制该器件中各个OLMC的输出引脚号。图18.17 GAL16V8的结构控制字本讲稿第五十二页，共六十一页 结构控制字各位功能如下：（1）同步位SYN 该位用以确定GAL器件具有组合型输出能力还是寄存器型输出能力。（2）结构控制位A

19、C0 这1位对于八个OLMC是公共的，它与各个OLMC（n）各自的AC1（n）配合，控制OLMC（n）中的各个多路开关。本讲稿第五十三页，共六十一页 （3）结构控制位AC1 （4）极性控制位XOR（n）通过OLMC中间的异或异或门，控制逻辑操作结果的输出极性。（5）乘积项（PT）禁止位 共有64位，分别控制逻辑图中与与门阵列的64个乘积项（PT0PT63），以便屏蔽某些不用的乘积项。通过对结构控制字的编程，便可控制GAL的工作方式。本讲稿第五十四页，共六十一页 18.5.4 GAL18.5.4 GAL的工作模式的工作模式 表18.4给出了GAL16V8的简单型工作模式。处于这种模式时，该器件有

20、多条输入和输出线，没有任何反馈通路。15和16脚仅仅作为输出端，1214和1719脚既能作为输入端也能作为输出端，其输出逻辑表达式最多有八个乘积项。本讲稿第五十五页，共六十一页引脚号功 能 20 10 19，11 15，16 1214，1719 VCC 地 仅作为输入 仅作为输出（无反馈通路）输入或输出（无反馈通路）表18.4 GAL16V8的简单型工作模式本讲稿第五十六页，共六十一页 表18.5给出了GAL16V8的复杂型工作模式。处于该模式时，它有多条输入和输出线，输出12和19脚不存在任何反馈通路，输出1318脚和与门阵列之间有一条反馈通路。其输出逻辑表达式最多有7个乘积项，另一个乘积项

21、用于输出使能控制。本讲稿第五十七页，共六十一页引脚号功 能 20 10 19，11 12，19 1318 VCC 地 仅作为输入 仅作为输出（无反馈通路）输入或输出（有反馈通路）表18.5 GAL16V8的复杂型工作模式本讲稿第五十八页，共六十一页 表18.6给出了GAL16V8的寄存器型工作模式。引脚号功能引脚号功 能201029 VCC 地仅作为输入 1 11 1219 时钟脉冲输入 使能输入（低电平有效）输入或输出（有反馈通路）表18.6 GALI6V8的寄存器型工作模式 本讲稿第五十九页，共六十一页 思考题思考题 PAL在编程方面有什么缺点？GAL是如何克服其缺点的？PAL和GAL实现组合逻辑函数的基本原理是什么？返回本讲稿第六十页，共六十一页本本 章章 小小 结结 目前，可编程逻辑器件（PLD）的使用越来越广泛，用户可以自行设计该类器件的逻辑功能。它们具有集成度高、可靠性高、处理速度快和保密性好等特点。PROM是一种比较简单的可编程逻辑器件，而PAL和GAL是两种典型的可编程逻辑器件，其电路结构的核心都是与一或阵列。而GAL器件的输出部分增加了输出逻辑宏单元OLMC，因此比PAL具有更强的功能和灵活性。返回本 章 完本讲稿第六十一页，共六十一页